淺談光伏電站數據通訊管理機的設計與應用

摘要：設計了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，包括硬件系統和軟件系統．硬件系統基于A(yíng)RM嵌入式處理器設計，通過(guò)RS485／232串口對光伏電站終端設備的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行采集并解析處理，采用以太網(wǎng)／GPRS與光伏電站控制系統的服務(wù)器相連，實(shí)現數據的遠程無(wú)線(xiàn)通訊和傳輸．軟件系統基于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統Linux，采用模塊化設計，包含了任務(wù)管理、內存管理、時(shí)間管理和同步通信等功能模塊．該通訊管理機具有對分布式光伏電站監控數據的實(shí)時(shí)采集、存儲、分析處理、上傳和轉發(fā)等功能．

關(guān)鍵詞：分布式光伏電站；數據管理機；嵌入式系統；遠程無(wú)線(xiàn)；通訊與傳輸

光伏監控系統可以對太陽(yáng)能光伏電站的電池陣列、匯流箱、逆變器、交直流配電柜、電表等設備進(jìn)行實(shí)時(shí)監測與控制，對與電站運行效率相關(guān)的各種環(huán)境參數、設備信息、電力參數，進(jìn)行采集、儲存、分析、管理和通訊傳輸，以確保光伏發(fā)電系統的安全可靠穩定運行和并網(wǎng)計量，是現代化光伏電站系統的組成部分。光伏電站監控系統經(jīng)歷了早期的有線(xiàn)數據采集]到現在的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控，數據儲存也由存儲卡儲存的方式發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )數據傳輸和云存儲。近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)屋頂電站和家庭戶(hù)用屋頂電站的大量建設和并網(wǎng)，針對這種分布式光伏電站的數據監控系統的開(kāi)發(fā)受到了重視。在分布式光伏監控系統中光伏數據通訊管理單元負責采集光伏電站運行的所有相關(guān)數據，并通過(guò)以太網(wǎng)／GPRS遠程傳輸至光伏電站監控中心，以便光伏電站用戶(hù)及管理者實(shí)時(shí)監控光伏電站的運行狀態(tài)，是光伏電站監控中心與光伏電站設備之間的聯(lián)系橋梁．本文基于A(yíng)RM嵌入式處理器設計開(kāi)發(fā)了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，對分布式光伏電站運行數據進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析處理、存儲，并遠程傳輸至光伏監控系統的數據中心，實(shí)現對分布式光伏電站的遠程管理和維護。

1系統硬件設計

分布式光伏電站數據通訊管理機的系統硬件基于SAM9X25嵌入式微處理器設計，通過(guò)RS485／232串口對逆變器、氣象環(huán)境監測儀、匯流箱、電表等終端設備的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行采集并解析處理，通過(guò)GPRS／以太網(wǎng)與服務(wù)器相連，將數據傳輸至遠程數據中心．管理員通過(guò)登錄WEB界面實(shí)現對光伏數據管理機的配置管理。用戶(hù)在WEB終端或移動(dòng)終端通過(guò)登錄可以查看電站實(shí)時(shí)運行情況和實(shí)時(shí)歷史數據。其硬件結構如圖1

圖1通訊管理機的硬件結構圖

1．1串口電路

通訊管理機采用UART(UniversalAsyn-chronousReceiverTransmitter)和USART(Uni-versalSynchronousAsynchronousReceiverTransmitter)接口轉RS-485/RS-422串口的方式進(jìn)行遠程數據采集，圖2為該串口電路結構圖。

圖2串口電路結構圖

串口數據傳輸采用平衡發(fā)送和差分接收的方式．ARM芯片的UART接口和USART接口與四通道隔離器ADUM1400相連，將數據傳輸信號和收發(fā)器的控制信號分隔，支持多種通道配置和數據傳輸速率，保障系統的安全和穩定．經(jīng)隔離器后的數據傳輸信號線(xiàn)RX和TX與RS484／RS422／RS232收發(fā)器直連，收發(fā)器的控制信號EN需要經(jīng)過(guò)斯密特觸發(fā)器再連接RS484／RS422／RS232收發(fā)器，控制收發(fā)器工作模式．斯密特觸發(fā)器將緩慢變化的輸入信號變?yōu)榍逦?、無(wú)抖動(dòng)的方波信號，增加系統的抗干擾能力．RS484／RS422／RS232收發(fā)器在端信號的控制下與設備進(jìn)行數據傳輸。

1．2 SD卡存儲電路

通訊管理機包含一個(gè)SD卡插口，圖3為其電路結構圖。SD卡與ARM芯片的HSMCI(HighSpeedMultimediaCardInterface)模塊的物理層接口PIO相連，HSMC1支持流、塊、多塊數據的讀寫(xiě)，同時(shí)受DMAC(DirectMemoryAccessController)的控制，很大限度地保護處理器對數據傳輸效率。SD卡共支持三種傳輸模式：SPI模式，1位模式和4位模式，本系統采用的是4位模式。

圖3 SD卡存儲電路結構圖

1．3以太網(wǎng)口電路

通訊管理機包含兩個(gè)以太網(wǎng)口，圖4為其電路結構圖．以太網(wǎng)由共享傳輸媒體，通過(guò)RJ-45網(wǎng)口與媒體連接進(jìn)行差分數據傳輸，濾波器將RJ-45網(wǎng)絡(luò )接口的電壓轉換成網(wǎng)卡芯片DM9161所需的電壓，并過(guò)濾掉其他干擾信號，減少信息傳輸的錯誤率。網(wǎng)卡芯片的物理層接口接收濾波器傳來(lái)的輸出信號，將其轉換為MII(MediaIndependentInter—face)信號后通過(guò)數據接口將MII信號發(fā)送給ARM控制器的EMAC(EthernetMediaAccessController10／100)模塊．本系統使用標準網(wǎng)線(xiàn)，兩端一45接頭壓接的雙絞線(xiàn)的線(xiàn)序相同，用于終端設備到HUB或LANSwitch的連接。

圖4以太網(wǎng)口電路結構圖

2系統軟件設計

通訊管理機軟件系統采用多任務(wù)實(shí)時(shí)系統的模塊化設計，包括任務(wù)管理、任務(wù)調度、內存管理、時(shí)間管理和任務(wù)間的通信和同步等功能模塊．系統在Linux提供的任務(wù)內核的基礎上通過(guò)設計驅動(dòng)程序模塊、操作系統的API函數、系統任務(wù)、任務(wù)調度模塊對操作系統進(jìn)行擴展．按照各個(gè)功能的關(guān)聯(lián)性，將程序分為多個(gè)任務(wù)模塊，包括主程序、數據采集、數據傳輸以及數據存儲。

系統主程序需要完成ARM芯片及外設、Linux的系統和信號量的初始化設置并啟動(dòng)系統，同時(shí)主程序需要啟動(dòng)驅動(dòng)調度、網(wǎng)絡(luò )通訊以及數據庫等任務(wù)線(xiàn)程．主程序流程圖如圖5。

2．1數據采集

數據采集任務(wù)是完成各個(gè)終端設備數據的采集。如圖6程序讀取變量信息，完成后啟動(dòng)串口通訊線(xiàn)程，再調用設備驅動(dòng)程序初始化接口。此時(shí)采集任務(wù)通過(guò)向數據總線(xiàn)發(fā)送讀取“采集數據"接口數據命令，所有連接在數據總線(xiàn)上的傳感器接到讀取命令后根據數據包判斷是否是向自己發(fā)送的讀取命令，如果是就會(huì )向系統返回設備參數數據，直到數據發(fā)送完畢。

圖5主程序流程圖

圖6數據采集任務(wù)流程圖

2．2數據傳輸

數據傳輸包含數據發(fā)送和數據接收兩部分，其中數據發(fā)送部分主要將后臺數據庫中的數據發(fā)送至前端WEB頁(yè)面，數據接收部分主要接收網(wǎng)絡(luò )上傳的數據并對數據進(jìn)行解析執行，數據傳輸流程圖如圖7。

2．3數據存儲

數據存儲主要完成上傳數據的存儲，如圖8程序接收到網(wǎng)絡(luò )通訊層的通訊中斷消息后，讀取內存數據庫中所有變量的信息，根據內存數據庫中數據類(lèi)型的不同選擇不同的存儲方案。首先，判斷內存數據庫中的數據類(lèi)型，若內存數據庫中的數據是產(chǎn)生變化的狀態(tài)量(O或1)，則將當前數據寫(xiě)入歷史數據存儲緩存隊列。之后，如果內存數據庫中的數據是模擬量，則根據所要求的存儲方式對模擬量進(jìn)行存儲。若選擇周期存儲，則循環(huán)判斷周期時(shí)間是否達到，達到設定的周期時(shí)間則將數據寫(xiě)入歷史數據存儲緩存隊列；若是按照精度存儲，則按照旋轉門(mén)算法對當前數據進(jìn)行判斷，將符合條件的數據寫(xiě)入歷史數據存儲緩存隊列。

圖7數據傳輸任務(wù)流程圖

圖8數據存儲流程圖

3應用

采用上述設計方案設計開(kāi)發(fā)了Chitic分布式光伏電站數據通訊管理機，該通訊管理機本地WEB配置界面包含數據視圖、串口配置、通道配置、網(wǎng)絡(luò )設置、傳輸配置、服務(wù)和系統維護等7大功能，每個(gè)功能模塊下又包含若干子功能，如圖9。

數據視圖下電站可以查看當前電站的電量參數、環(huán)境參數以及節能參數；設備信息下可以查看當前電站設備的數量以及各個(gè)設備的運行狀況。

圖9Chitic分布式光伏電站數據通訊管理機WEB配置界面

串口配置可以配置串口各項參數，實(shí)現數據采集和本地查看功能。

通道配置可以配置設備通道信息，將每個(gè)設備呈樹(shù)狀連接，每個(gè)串口為一個(gè)通道，共有4個(gè)通道，一個(gè)通道下可以?huà)熘炼鄉6個(gè)設備，系統對設備數據集中采集。網(wǎng)絡(luò )配置可以IP，數據上傳方式有NET，GPRS，WIFI三種方式可選．傳輸配置可以配置遠程數據中心IP，系統根據所配置的上傳方式將電站數據上傳至數據中心IP。服務(wù)項查看系統支持的協(xié)議類(lèi)型以及ModBus保持寄存器的部分功能．系統維護用于查看系統版本及序列號，實(shí)現系統升級、時(shí)間校對和設備重啟等功能。

4 安科瑞網(wǎng)關(guān)介紹

4.1通信管理機

4.1.1概述

本系列智能通信管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個(gè)下行通信接口及一個(gè)或者多個(gè)上行網(wǎng)絡(luò )接口，用于將一個(gè)目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后，實(shí)時(shí)上傳主站系統，完成遙信、遙測等能源數據采集功能。

同時(shí)，本系列智能通信管理機支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發(fā)給目標區域內的智能系列單元，完成對廠(chǎng)站內各開(kāi)關(guān)設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實(shí)現遙控和遙調功能，以達到遠動(dòng)輸出調度命令的目標。

4.1.2產(chǎn)品介紹

4.2數據轉換模塊

4.2.1概述

AF-GSM是安科瑞電氣推出的新型的4G遠程無(wú)線(xiàn)數據采集設條，采用嵌入式設計。內嵌TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗，性能可靠穩定。

本產(chǎn)品提供標準RS485數據接口，可以方便的連接RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置。就可以完成對MODBUS設備的數據采集，并且與安科瑞服務(wù)器進(jìn)行通訊。

5.2.2產(chǎn)品介紹

4.3無(wú)線(xiàn)通訊終端

4.3.1概述

AWT100數據轉換模塊是安科瑞電氣推出的新型數據轉換DTU，通訊數據轉換包括 2G、4G、NB、LoRa、LoRaWAN，GPS,WiFi,CE,DP 等通訊方式，下行接口提供了標準RS485數據接口，可以方便的連接電力儀表、RTU、PLC、工控機等設備，僅需一次性完成初始化配置，就可以完成對MODBUS設備的數據采集；同時(shí)AWT100系列無(wú)線(xiàn)通訊終端采用了功能強大的微處理芯片，配合內置看門(mén)狗技術(shù)，性能可靠穩定。

AWT200數據通訊網(wǎng)關(guān)應用于各種終端設備的數據采集與數據分析。實(shí)現設備的監測、控制、計算，為系統與設備之間建立通訊紐帶，實(shí)現雙向的數據通訊。實(shí)時(shí)監測并及時(shí)發(fā)現異常數據，同時(shí)自身根據用戶(hù)規則進(jìn)行邏輯判斷，大大的節省了人力和通訊成本。

4.4.2產(chǎn)品介紹

5結論

設計了一種分布式光伏電站數據通訊管理機，其硬件系統基于A(yíng)RM嵌入式處理器設計，通過(guò)RS485／232串口對光伏電站終端設備的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行采集并解析處理，采用以太網(wǎng)／GPRS與光伏電站控制系統的服務(wù)器相連，實(shí)現了數據的遠程無(wú)線(xiàn)通訊和傳輸．軟件系統基于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統Linux，采用模塊化設計，包含了任務(wù)管理、內存管理、時(shí)間管理和同步通信等功能模塊。該通訊管理機具有對分布式光伏電站監控數據的實(shí)時(shí)采集、存儲、分析處理、上傳和轉發(fā)等功能．該系統使用WEB網(wǎng)頁(yè)查看和配置光伏電站數據，支持多種通訊規約，支持斷點(diǎn)續傳，擁有數據采集、解析處理、結合歷史數據存儲、同步上傳和本地轉發(fā)等多項功能．同時(shí)，本系統具有成本低、功耗小、數據存儲量大、數據處理速度快、能同時(shí)實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)操作等優(yōu)點(diǎn)，是分布式光伏電站監控系統的重要組成部分。

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